一种截流用拦石栅式立体加糙方法
【专利摘要】一种截流用拦石栅式立体加糙方法，该方法通过在截流龙口区段沿戗堤下游设置拦石栅阻止截流材料的流失，所述拦石栅为多根拦石桩组成的阵列结构，拦石栅高度＝(0.4～0.8)戗堤高度。多根拦石桩组成的阵列结构的优选排列方式为：相邻两列拦石桩的任一列中的各拦石桩均分别对应于另一列中拦石桩之间的相应空隙中心布置，相邻两排拦石桩的任一排中的各拦石桩均分别对应于另一排中拦石桩之间的相应空隙中心布置。所述方法能减小高难度截流龙口合龙期间截流材料流失率，提高截流工程的经济性，同时减小龙口流速、落差和单宽功率，保障截流安全性和成功截流。
【专利说明】一种截流用拦石栅式立体加糙方法
【技术领域】
[0001]本发明属于水利水电工程中的截流【技术领域】，特别涉及一种用于河道及河流工程截流，且龙口截流水力学指标较高的立体加糙方法。
【背景技术】
[0002]河流工程，特别是水利工程建设中，截流是工程建设的关键环节，而高难度截流更是重中之重。一般，高难度截流的判别指标为:高流速(流速大于6m/s)，大落差(落差大于6m)，大单宽功率(单宽功率大于80t.πι/(πι.8))。对于单个指标超标5%?10%的工程而言，虽可采用专利CN201010129949.3所述折线戗堤进行截流。但进入龙口段后，尤其在戗堤转弯后，龙口形成‘S’形水流，对戗堤下游坡脚冲刷严重，戗堤下游岸坡极易坍塌。对于超高截流水力学指标，即流速大于8m/s，落差大于10m，单宽功率大于120t.m/ (m.s)的难度更大的截流工程，则需要结合上游电站控泄进行截流，但会影响到整个流域电网的运行调度。在调控期间和截流龙口合龙期间要求抛投强度很高，需要使用的人工截流材料数量多，因此不但成本高，施工难度大，而且在此段时间内的截流材料流失率大，戗堤堤头在水流作用下易发生坍塌，威胁施工人员和机械设备的安全，截流失败的风险极大。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种截流用拦石栅式立体加糙方法，以减小高难度截流龙口合龙期间截流材料的流失率，提高截流工程的经济性，同时减小龙口水流流速、落差和单宽功率，保障截流安全性和成功截流。
[0004]本发明所述截流用拦石栅式立体加糙方法，通过在截流龙口区段沿戗堤下游设置拦石栅进行立体加糙，以减小龙口水流流速、落差和单宽功率，阻止截流材料的流失，所述拦石栅为多根拦石桩组成的阵列结构，拦石栅高度=(0.4?0.8)戗堤高度。
[0005]上述截流用拦石栅式立体加糙方法，所述拦石桩可以有多种布置方式，但从施工及减小截流材料流失率考虑，多根拦石桩组成的阵列结构的排列方式优选梅花桩式排列，即:相邻两列拦石桩的任一列中的各拦石桩均分别对应于另一列中拦石桩之间的相应空隙中心布置，相邻两排拦石桩的任一排中的各拦石桩均分别对应于另一排中拦石桩之间的相应空隙中心布置。
[0006]上述截流用拦石栅式立体加糙方法，多根拦石桩组成的阵列结构的列间距Hi =(0.5?3)D5tl，每一列中，相邻拦石桩之间的间距η = (0.75?2)D5(I，其中，D50为截流材料的中值粒径。所述阵列结构的各列间距可以相等亦可不等；当截流材料的中值粒径较小时，各列中相邻拦石桩之间的间距宜靠近下限选择，以达到减小截流材料流失率和减小龙口水力学参数的目的。
[0007]上述截流用拦石栅式立体加糙方法，为保证减小截流材料的流失率，减小龙口水力学参数，同时考虑工程经济性，多根拦石桩组成的阵列结构的列数为2?7列，排数应使各排拦石桩所处的位置不超越龙口的宽度。
[0008]上述截流用拦石栅式立体加糙方法，拦石桩可以为多种形状及材料，考虑施工要求，可优选混钢管桩和混凝土桩。当为钢管桩时，其横截面为圆环形，圆环形截面的外半径为0.1?Im ;当为混凝土桩时，其横截面为圆形或矩形，当横截面为圆形时，其半径R =0.5?3m，当横截面为矩形时，其长度a与宽度b之比a:b = 1: (0.8?1.25)，其中b =0.5?3m。各桩按照各工程截流水流条件及设计规范进行设计，保持桩在受到截流水流冲击和材料撞击后不会破坏。
[0009]截流时随着戗堤推进，龙口缩窄，进入龙口区域，水流落差增大，流速增加，截流材料流失率增加。采用本发明所述方法，当戗堤推进至拦石栅范围内，龙口落差即被分为:戗堤前后落差和戗堤后拦石栅后落差，拦石栅起到雍高龙口上游水面、减小龙口水流流速及落差、拦截截流材料、提高截流工程的安全性和经济性的作用。
[0010]本发明具有以下有益效果:
[0011]1、由于本发明所述方法在截流龙口区段沿戗堤下游设置了拦石栅，并对拦石栅的高度、排列方式进行了合理设计，因而在超高难度截流工程(流速大于8m/s，落差大于10m，单宽功率大于120t.m/(m.s)的截流合龙过程中，不仅能有效阻止截流材料的流失,减小截流材料备料方量，而且能减小龙口水流流速、落差和单宽功率，缩短合龙时间，保障截流安全性和成功截流，实验表明，合龙期间内龙口平均水流流速减小15%?20%，龙口最大单宽功率减小35%?40%，截流材料总流失率减小达70.5%?96.4%。
[0012]2、由于本发明所述方法对组成拦石栅的拦石桩的材料、形状和尺寸进行了合理选择，因而在使用中机械性能符合要求，保证了拦石栅功能的实现。
[0013]3、本发明所述方法适用于各种地形的龙口，能够充分利用枯水期埋设拦石桩，施工容易，方法简单，实用性强。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1为根据本发明所述方法在截流龙口区段沿戗堤下游设置拦石栅的示意图。
[0015]图2为图1的A-A剖视图。
[0016]图3为图1的B-B剖视图。
[0017]图4为矩形截面拦石桩组成的阵列结构的拦石栅的布置方式图。
[0018]图5为圆形截面拦石桩组成的阵列结构的拦石栅的布置方式图。
[0019]图6为矩形截面拦石桩的俯视图。
[0020]图7为圆形截面拦石桩俯视图。
[0021]图中，I—河岸或导墙，2—戗堤，3—拦石栅，4—河底，5——水面线，6—截流龙口，7—拦石桩，I—阵列结构的拦石栅的列间距，η—拦石栅每一列中相邻拦石桩之间的间距，R—横截面为圆形的混凝土拦石桩的半径，a—横截面为矩形的混凝土拦石桩的长度，b—横截面为矩形的混凝土拦石桩宽度。
【具体实施方式】
[0022]下面通过实施例对本发明所述截流用拦石栅式立体加糙方法作进一步说明。
[0023]实施例1、实施例2、实施例3和对比例I的工程概况如下:
[0024]某电站采用分期导流，其三期导流明渠底板高程982m，溢流堰顶高程994m，两者高差达到12m，截流流量650m3/s，三期截流时，需要龙口合龙到一定范围、水库水位壅高达到溢流堰堰顶高程后，溢流堰才能发挥分流作用。同时工程截流受到地形影响，无条件布置双戗堤，致使水流流速达到10.0lm/s、落差高达7.6m、单宽功率达到240t.m/(m.s)，截流难度较大。
[0025]针对上述工程，进行了实施例1、实施例2、实施例3和对比例I的截流模拟试验。
[0026]实施例1
[0027]本实施例在截流龙口 6区段沿戗堤2下游垂直于明渠导墙I并距导墙50m范围内设置拦石栅3，所述拦石栅为多根拦石桩7组成的阵列结构，戗堤高度20m，拦石栅高度=0.8倍戗堤高度=16m。多根拦石桩7组成的阵列结构的排列方式为:相邻两列拦石桩的任一列中的各拦石桩均分别对应于另一列中拦石桩之间的相应空隙中心布置，相邻两排拦石桩的任一排中的各拦石桩均分别对应于另一排中拦石桩之间的相应空隙中心布置。所述阵列结构的列数为7列,截流材料的中值粒径D50 = 2.0m,列间距1=0.5D50 = lm，每一列中相邻拦石桩7之间的间距η = 0.7?5(l = 1.5m。所述拦石桩7为钢管桩，其横截面为圆环形，圆环形截面的外半径为0.lm。
[0028]试验结果:当龙口宽度为50m时，截流进入拦石栅范围，进入该区段后截流难度明显减小，此时戗堤前后水流落差减小，主要落差集中在拦石柵前后，龙口最大水流流速为7.65m/s,俄堤前后落差为4.92m,拦石栅前后落差为2.43m,单宽功率最大值为168t.m/(m-s),在该流量下其截流材料总流失率仅为2.54%，人工截流材料无流，截流备料5.69万方。
[0029]实施例2
[0030]本实施例在截流龙口 6区段沿戗堤2下游垂直于明渠导墙并距导墙50m范围内设置拦石栅3，所述拦石栅为多根拦石桩7组成的阵列结构，戗堤高度20m，拦石栅高度=0.8倍戗堤高度=16m。多根拦石桩7组成的阵列结构的排列方式为:相邻两列拦石桩的任一列中的各拦石桩均分别对应于另一列中拦石桩之间的相应空隙中心布置，相邻两排拦石桩的任一排中的各拦石桩均分别对应于另一排中拦石桩之间的相应空隙中心布置。所述阵列结构的列数为3列,截流材料的中值粒径D5tl = 2.0m,列间距I = 2D50 = 4m,每一列中相邻拦石桩7之间的间距η = 35(| = 6m。所述拦石桩为钢管桩其横截面为圆环形，圆环形截面的外半径为lm。
[0031]试验结果:当龙口宽度为50m时，截流进入拦石栅范围，进入该区段后截流难度明显减小，此时戗堤前后水流落差减小，主要落差集中在拦石柵前后，而龙口最大水流流速为7.83m/s,俄堤前后落差为5.42m,拦石栅前后落差为2.12m,单宽功率最大值为182t.m/(m-s)。在该流量下其截流材料总流失率仅为4.54%，人工截流材料无流失，截流备料6.13万方。
[0032]实施例3
[0033]本实施例在截流龙口 6区段沿戗堤2下游垂直于明渠导墙并距导墙50m范围内设置拦石栅3，所述拦石栅为多根拦石桩7组成的阵列结构，戗堤高度20m，拦石栅高度=0.8倍戗堤高度=16m。多根拦石桩7组成的阵列结构的排列方式为:相邻两列拦石桩的任一列中的各拦石桩均分别对应于另一列中拦石桩之间的相应空隙中心布置，相邻两排拦石桩的任一排中的各拦石桩均分别对应于另一排中拦石桩之间的相应空隙中心布置。所述阵列结构的列数为5列,截流材料的中值粒径D5tl = 2.0m,列间距I = D5tl = 2m,每一列中相邻拦石桩7之间的间距n = 2D50 = 4m。所述拦石桩为混凝土桩，其横截面为圆形，横截面的半径 R = 0.5m。
[0034]试验结果:当龙口宽度为50m时，截流进入拦石栅范围。进入该区段后截流难度明显减小，此时戗堤前后水流落差减小，主要落差集中在拦石柵前后，而龙口最大水流流速为7.33m/s,俄堤前后落差为5.0lm,拦石栅前后落差为2.47m,单宽功率最大值为172t *m/(m.s)。在该流量下其截流总流失率仅为4.54%，人工截流材料无流失，截流备料5.89万方。
[0035]对比例I
[0036]采用戗堤布置，与实施例1、2、3的区别是未在龙口区段沿戗堤2下游设置拦石柵。
[0037]试验结果:龙口宽度30m?15m时,溢流堰开始过流,截流达到最困难时期,最大水流流速高达9.93m/s，戗堤前后水流落差达到7.54m，单宽功率高达234t.πι/(πι *s)，其截流材料总流失率达到47.5%，人工截流材料流失率达到39.47%，备料方量为9.02万方。
[0038]实施例4、实施例5、实施例6和对比例2的工程概况如下:
[0039]某电站施工中采用隧洞导流，截流流量1270m3/s，该电站河床高程为1574m，考虑到后期导流洞的重复利用，故将导流洞进口高程定为1584m，两者高差达到10m，同时由于施工进度导致其分流建筑物单一，且工程截流受到地形影响，无条件修筑其他分流建筑物，截流难度较大。
[0040]针对上述工程，进行了下述实施例4、实施例5、实施例6和对比例2的截流模拟试验。
[0041]实施例4
[0042]本实施例在截流龙口 6区段沿戗堤2下游垂直于河道左岸并距河道左岸50m范围内设置拦石栅3，通过导流洞导流，戗堤高度15m，所述拦石栅为多根拦石桩7组成的阵列结构，拦石栅高度=0.4倍戗堤高度=6m。多根拦石桩7组成的阵列结构的排列方式为:相邻两列拦石桩的任一列中的各拦石桩均分别对应于另一列中拦石桩之间的相应空隙中心布置，相邻两排拦石桩的任一排中的各拦石桩均分别对应于另一排中拦石桩之间的相应空隙中心布置。所述阵列结构的列数为7列，截流材料的中值粒径D5tl = 1.5m，列间距I = Dki=1.5m,每一列中相邻拦石桩7之间的间距n = 2D50 = 3m。所述拦石桩为混凝土桩,其横截面为矩形，矩形截面的长度a与宽度b之比a:b = I:0.8，其中b = 0.5m，a = 0.625m。
[0043]试验结果:截流过程中,最大水流流速为6.12m/s,俄堤前后水流落差为2.73m,拦石栅前后水流落差为4.33m，单宽功率最大值为92.7t.m/(m.s)，截流材料总流失率仅为10.29%，其中人工截流材料流失率为7.12%，截流备料3.4万方。
[0044]实施例5
[0045]本实施例在截流龙口 6区段沿戗堤2下游垂直于河道左岸并距河道左岸50m范围内设置拦石栅3，通过导流洞导流，戗堤高度15m，所述拦石栅为多根拦石桩7组成的阵列结构，拦石栅高度=0.4倍戗堤高度=6m。多根拦石桩7组成的阵列结构的排列方式为:相邻两列拦石桩的任一列中的各拦石桩均分别对应于另一列中拦石桩之间的相应空隙中心布置，相邻两排拦石桩的任一排中的各拦石桩均分别对应于另一排中拦石桩之间的相应空隙中心布置。所述阵列结构的列数为3列。截流材料的中值粒径D5tl = 1.5m，列间距I =3D50 = 4.5m,每一列中相邻拦石桩7之间的间距n = 2D50 = 3m。所述拦石桩为混凝土桩，其横截面为矩形，矩形截面的长度a与览度b之比a:b = 1: 1.25，其中b = 3m, a = 2.4m。
[0046]试验结果:截流过程中，最大水流流速为5.33m/s,俄堤前后水流落差为1.81m,拦石栅前后水流落差为5.42m，单宽功率最大值为78.6t.m/(m.s)，截流材料总流失率仅为7.29%，其中人工截流材料流失率为3.12%，截流备料3.1万方。
[0047]实施例6
[0048]本实施例在截流龙口 6区段沿戗堤2下游垂直于河道左岸并距河道左岸50m范围内设置拦石栅3，通过导流洞导流，戗堤高度15m，所述拦石栅为多根拦石桩7组成的阵列结构，拦石栅高度=0.4倍戗堤高度=6m。多根拦石桩7组成的阵列结构的排列方式为:相邻两列拦石桩的任一列中的各拦石桩均分别对应于另一列中拦石桩之间的相应空隙中心布置，相邻两排拦石桩的任一排中的各拦石桩均分别对应于另一排中拦石桩之间的相应空隙中心布置。所述阵列结构的列数为4列。截流材料的中值粒径D5tl= 1.5m，列间距I =3D50 = 4.5m,每一列中相邻拦石桩7之间的间距n = 2D50 = 3m。所述拦石桩为混凝土桩，其横截面为圆形，圆形截面的半径R = 3m。
[0049]试验结果:截流过程中，最大水流流速为5.41m/s,俄堤前后水流落差为1.73m,拦石栅前后水流落差为5.62m，单宽功率最大值为77.5t.m/(m.s)，截流材料总流失率仅为7.13%，其中人工截流材料流失率为3.08%，截流备料3万方。
[0050]对比例6
[0051]采用传统直线型戗堤截流，与实施例4、5、6的区别是未在龙口区段沿戗堤2下游设置拦石柵。
[0052]试验结果:龙口宽度40m?15m时，最大水流流速高达7.45m/s,水流落差达到7.22m，单宽功率高达147t.m/(m.s)，截流材料总流失率高达70%，其中人工截流材料流失率达到70.2%，同时需要更高的截流抛投强度及更多的人工截流材料，备料方量为6.2万方。
[0053]从上述实施例和对比例可以看出，使用本发明所述截流用拦石栅式立体加糙方法，可减小高难度截流龙口合龙期间截流材料的流失率，提高截流工程的经济性，同时减小龙口水流流速、落差和单宽功率，保障截流安全性和成功截流。
【权利要求】
1.一种截流用拦石栅式立体加糙方法，其特征在于该方法通过在截流龙口(6)区段沿戗堤(2)下游设置拦石栅(3)进行立体加糙，以减小龙口水流流速、落差和单宽功率，阻止截流材料的流失，所述拦石栅为多根拦石桩(7)组成的阵列结构，拦石栅(3)高度=(0.4?0.8)戗堤高度。
2.根据权利要求1所述截流用拦石栅式立体加糙方法，其特征在于多根拦石桩(7)组成的阵列结构的排列方式为:相邻两列拦石桩的任一列中的各拦石桩均分别对应于另一列中拦石桩之间的相应空隙中心布置，相邻两排拦石桩的任一排中的各拦石桩均分别对应于另一排中拦石桩之间的相应空隙中心布置。
3.根据权利要求2所述截流用拦石栅式立体加糙方法，其特征在于多根拦石桩(7)组成的阵列结构的列间距Hi= (0.5?3) D5tl，每一列中，相邻拦石桩(7)之间的间距η =(0.75?2).，其中，D5tl为截流材料的中值粒径。
4.根据权利要求1至3中任一权利要求所述截流用拦石栅式立体加糙方法，其特征在于多根拦石桩(7)组成的阵列结构的列数为3?7列，排数应使各排拦石桩所处的位置不超越龙口的宽度。
5.根据权利要求1至3中任一权利要求所述截流用拦石栅式立体加糙方法，其特征在于所述拦石桩(4)为钢管桩，其横截面为圆环形，圆环形截面的外半径为0.1?lm。
6.根据权利要求4所述截流用拦石栅式立体加糙方法，其特征在于所述拦石桩(7)为钢管桩，其横截面为圆环形，圆环形截面的外半径为0.1?lm。
7.根据权利要求1至3中任一权利要求所述截流用拦石栅式立体加糙方法，其特征在于所述拦石桩(7)为混凝土桩，其横截面为圆形或矩形，当横截面为圆形时，其半径R =0.5?3m，当横截面为矩形时，其长度(a)与宽度(b)之比a:b = 1: (0.8?1.25)，其中b=0.5 ?3m。
8.根据权利要求4所述截流用拦石栅式立体加糙方法，其特征在于所述拦石桩(J)为混凝土桩，其横截面为圆形或矩形，当横截面为圆形时，其半径R = 0.5?3m，当横截面为矩形时，其长度(a)与宽度(b)之比a:b = 1: (0.8?1.25)，其中b = 0.5?3m。
9.根据权利要求5所述截流用拦石栅式立体加糙方法，其特征在于所述拦石桩(7)为混凝土桩，其横截面为圆形或矩形，当横截面为圆形时，其半径R = 0.5?3m，当横截面为矩形时，其长度(a)与宽度(b)之比a:b = 1: (0.8?1.25)，其中b = 0.5?3m。
10.根据权利要求6所述截流用拦石栅式立体加糙方法，其特征在于所述拦石桩(7)为混凝土桩，其横截面为圆形或矩形，当横截面为圆形时，其半径R = 0.5?3m，当横截面为矩形时，其长度(a)与宽度(b)之比a:b = 1: (0.8?1.25)，其中b = 0.5?3m。
【文档编号】E02B3/00GK104264623SQ201410443033
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年9月2日 优先权日:2014年9月2日
【发明者】雷运华, 张建民, 郭建和, 银登林, 彭勇, 曹钺, 刘国勇, 何小泷, 李明辉 申请人:四川大学, 中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司, 中国人民武装警察部队水电第三总队